現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)關(guān)量 I/O 模塊的總體方案設(shè)計(jì)

3.1遠(yuǎn)程IO產(chǎn)品簡(jiǎn)介

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化成為現(xiàn)代工業(yè)控制的發(fā)展潮流。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)放的工業(yè)控制總線迅速發(fā)展，在此基礎(chǔ)上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的分散控制和嵌入式設(shè)備的控制技術(shù)逐步發(fā)展成熟，遠(yuǎn)程I/O就是在這種條件下發(fā)展的一類(lèi)產(chǎn)品，開(kāi)放和通用是其主要特征。符合開(kāi)放的總線規(guī)約，如Modbus、Device Net、Profibus-DP、Ethernet/IP等，能直接接入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，可與其他制造商提供的可編程控制器、上位機(jī)協(xié)同工作?？煞稚⑴渲迷诂F(xiàn)場(chǎng)，連接當(dāng)?shù)氐妮斎?輸出信號(hào)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到控制器，實(shí)現(xiàn)要求的控制。規(guī)約的開(kāi)放性使它可連接到任何其他制造商符合規(guī)范的各種控制器。

正是這種通用性使遠(yuǎn)程I/O產(chǎn)品成為獨(dú)立的產(chǎn)品而得到迅速的發(fā)展，成為工業(yè)控制領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)件。遠(yuǎn)程I/O模塊主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場(chǎng)裝置數(shù)字量、模擬量輸入/輸出信號(hào)。

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的IO產(chǎn)品，只作為PLC的專(zhuān)用附件，用于IO模塊的遠(yuǎn)程分散配置，使用專(zhuān)用的通信規(guī)約與主機(jī)連接。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，通過(guò)開(kāi)放總線連接的遠(yuǎn)程IO模塊才成為可獨(dú)立使用的產(chǎn)品。近年來(lái)逐漸出現(xiàn)了可配置遠(yuǎn)程I/O模塊?？膳渲檬侵敢粋€(gè)遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)所連接的輸入/輸出的模塊數(shù)和規(guī)格(輸入或輸出、信號(hào)電平、數(shù)字量或模擬量等)可在規(guī)定范圍內(nèi)自由組合，以適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)的要求，同時(shí)還可通過(guò)選擇接入的總線通信適配器適應(yīng)不同的總線規(guī)約?？膳渲眠h(yuǎn)程I /O模塊非常適合多總線的產(chǎn)品系列，在應(yīng)用于不同的總線類(lèi)型時(shí)，無(wú)需更換整個(gè)模塊，只需更換相應(yīng)的總線通信適配器即可。

3.2 IO模塊的需求分析

飛速發(fā)展的無(wú)線通信技術(shù)對(duì)電子設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試提出越來(lái)越高的要求，這必須依靠自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成。微波自動(dòng)測(cè)試的目標(biāo)和步驟千差萬(wàn)別，為提高測(cè)試效率，需要將微波開(kāi)關(guān)矩陣融入到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。微波開(kāi)關(guān)矩陣主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備與被測(cè)電路單元之間的信息交換，以及為被測(cè)單元提供必要的負(fù)載，是微波自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分。

本論文提出了一種基于MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)關(guān)量IO模塊設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)量的輸出和采集就是基于微波開(kāi)關(guān)矩陣控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，采用RS485接口應(yīng)用MODBUS協(xié)議與上位機(jī)通信，可同時(shí)進(jìn)行16路開(kāi)關(guān)量的控制和采集，通過(guò)上位機(jī)界面可靈活配置。

3.3系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

本方案采用的核心處理器S3C2440是一款由Samsung公司設(shè)計(jì)的低功耗、高度集成的16/32位RISC處理器，它采用289腳FBGA封裝，為手持設(shè)備和一般類(lèi)型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。

系統(tǒng)硬件主要包括：S3C2440處理器，存儲(chǔ)單元( Flash和SDRAM )、電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、JTAG調(diào)試模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、RS485模塊、IO模塊、鍵盤(pán)模塊。

S3C2440處理器負(fù)責(zé)對(duì)單元的控制、運(yùn)算和處理等功能;存儲(chǔ)單元為Flash和SDRAM;電源模塊采用220V交流電，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊得到內(nèi)核、IO等的工作電壓;時(shí)鐘模塊采用12M的無(wú)源晶振作為系統(tǒng)外部時(shí)鐘源，和一個(gè)32.768kHz的無(wú)源晶振作為RTC時(shí)鐘源;復(fù)位模塊防止程序跑飛，進(jìn)行及時(shí)復(fù)位;JTAG用來(lái)對(duì)bootloader的燒寫(xiě);網(wǎng)絡(luò)模塊用來(lái)快速更新內(nèi)核、文件系統(tǒng)及應(yīng)用程序;RS485模塊用于基于MODBUS協(xié)議的串口通信;IO模塊用來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)量的控制和采集;鍵盤(pán)模塊用來(lái)對(duì)本地進(jìn)行操作、測(cè)試。

3.4系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶(hù)應(yīng)用程序，即嵌入式Linux操作系統(tǒng)環(huán)境的建立以及在此系統(tǒng)下進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。

●嵌入式Linux軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

第一，建立開(kāi)發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)一般使用RedHatLinux，版本從7到9都可以，選擇定制安裝或全部安裝，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的GCC交叉編譯器機(jī)型安裝(例如arm - Linux-gcc、arm-uclibc-gcc)，或者安裝產(chǎn)品廠家提供的交叉編譯器。

第二，配置開(kāi)發(fā)主機(jī)

在Linux下，配置串口通訊工具minicom，其作用是作為調(diào)試嵌入式開(kāi)發(fā)板的信息輸出的監(jiān)視器和鍵盤(pán)輸入的工具。配置網(wǎng)絡(luò)，主要是配置網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS，需要關(guān)閉防火墻，簡(jiǎn)化嵌入式網(wǎng)絡(luò)調(diào)試設(shè)置過(guò)程。

第三，建立引導(dǎo)裝載程序Bootloader

從網(wǎng)站上下載一些公開(kāi)源代碼的bootloader，如U-boot、blob、vivi等，根據(jù)自己具體的芯片進(jìn)行移植修改。例如三星公司的ARM7、ARM9系列的芯片，這樣就需要修改開(kāi)發(fā)板上Flash的燒寫(xiě)程序，網(wǎng)絡(luò)上有免費(fèi)下載的Windows下通過(guò)JTAG并口簡(jiǎn)易仿真器燒寫(xiě)ARM外圍Flash芯片的燒寫(xiě)程序，也有Linux下的公開(kāi)源代碼的J-Flash程序。

第四，下載裁減編譯好的Linux操作系統(tǒng)

根據(jù)硬件平臺(tái)從網(wǎng)上下載適當(dāng)?shù)腖inux源碼，下載后根據(jù)應(yīng)用再添加特定硬件的驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行調(diào)試修改，對(duì)于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動(dòng)。

第五，建立根文件系統(tǒng)

使用busybox軟件進(jìn)行根文件系統(tǒng)功能裁減，產(chǎn)生一個(gè)最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應(yīng)用需要添加其他程序，需要使用mkcramfs、genromfs等工具產(chǎn)生燒寫(xiě)鏡像文件。

第六，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序

應(yīng)用程序可以放入根文件系統(tǒng)中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統(tǒng)中，有的應(yīng)用不使用根文件系統(tǒng)，直接將應(yīng)用程序和內(nèi)核設(shè)計(jì)在一起。

第七，燒寫(xiě)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序

●應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本論文的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要是針對(duì)基于MODBUS協(xié)議的串口編程。FreeMODBUS是針對(duì)通用的Modbus協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，便于移植到linux內(nèi)核中。

MODBUS協(xié)議的串口編程分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分;上位機(jī)以Windows XP為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用VC++軟件設(shè)計(jì)界面，利用MSComm控件進(jìn)行MODBUS串口編程，具有操作簡(jiǎn)單，配置靈活的特點(diǎn);下位機(jī)以嵌入式Linux為核心平臺(tái)，用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了基于RS485接口的MODBUS串口編程。

4開(kāi)關(guān)量I/O模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

硬件的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該考慮它的性能及市場(chǎng)前景，其次還要顧及到它的成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，力求它的性?xún)r(jià)比及開(kāi)發(fā)時(shí)間等指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

整個(gè)裝置的硬件包含兩塊電路板：ARM9S3C2440核心板和外圍電路板。選用protel99SE來(lái)繪制電路原理圖和PCB，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4.1所示：

4.2核心處理器芯片的選擇

4.2.1 ARM簡(jiǎn)介

ARM (Advanced RISC Machine )公司是一家專(zhuān)門(mén)從事芯片IP設(shè)計(jì)與授權(quán)業(yè)務(wù)的英國(guó)公司，其產(chǎn)品有ARM內(nèi)核以及外圍接口。ARM內(nèi)核是一種32位RISC微處理器，具有功耗低、性?xún)r(jià)比高和代碼密度高等特點(diǎn)。

1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，ARM公司是專(zhuān)門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯目前片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購(gòu)買(mǎi)其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚瑥亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得AR M技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2.2 S3C2440簡(jiǎn)介

在工業(yè)控制領(lǐng)域有核心處理芯片品種多，技術(shù)都比較成熟，穩(wěn)定性好，給我們的選擇余地比較大。8位單片機(jī)以51內(nèi)核單片機(jī)為代表，16位單片機(jī)以TIMSP430為代表，32位單片機(jī)以ARM7、ARM9內(nèi)核嵌入式處理器為代表。51內(nèi)核單片機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛，工程師涉足人數(shù)最多的單片機(jī)，工業(yè)控制的產(chǎn)品大多數(shù)是基于51內(nèi)核單片機(jī)開(kāi)發(fā)的，它的最大優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，電磁兼容性好，價(jià)格便宜，開(kāi)發(fā)成本低，開(kāi)發(fā)的人數(shù)比較多。它的最大的缺點(diǎn)是寄存器位數(shù)少、可尋址空間范圍小，不利于做一些比較復(fù)雜的算法運(yùn)算，或者一些外圍設(shè)備比較多的應(yīng)用;ARM7處理器采用3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，且主頻較低，目前已逐漸退出主流應(yīng)用場(chǎng)合。ARM9處理器，采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過(guò)增加時(shí)鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實(shí)現(xiàn)的。最后選用了市場(chǎng)上比較流行的基于ARM9內(nèi)核的S3C2440微處理器，它是工業(yè)級(jí)芯片，具有非常豐富的片上功能。

S3C2440微處理器采用289-FPGA封裝，為手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用提供了豐富的片上集成系統(tǒng)解決方案， 16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)和ARM920T內(nèi)核強(qiáng)大的指令集，主頻為400MHz，其ARM920T核由ARM9TDMI、存儲(chǔ)器管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。

其中，MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存有獨(dú)立的16KB地址和16KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。ARM9 20T有兩個(gè)內(nèi)部協(xié)處理器：CP14和CP15.CP14用于調(diào)試控制，CP15用于存儲(chǔ)系統(tǒng)控制以及測(cè)試控制。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 .2所示：

S3C2440X芯片集成了大量的功能單元，包括：

(1) 內(nèi)核采用1.2 V供電，存儲(chǔ)器采用3.3V獨(dú)立供電，外部IO采用3.3 V獨(dú)立供電，16KB數(shù)據(jù)Cache，16KB指令Cache，MMU;

(2) 內(nèi)置外部存儲(chǔ)器控制器(SDRAM控制和芯片選擇邏輯);

(3) LCD控制器(最高4K色STN和256K彩色TFT)，一個(gè)LCD專(zhuān)用DMA;

(4) 4路帶外部請(qǐng)求線的DMA;

(5) 三個(gè)通用異步串行端口(IrDA1.0 ， 16-Byte TxFIFO ， and 16-Byte RxFIFO)， 2通道SPI;

(6) 一個(gè)多主IIC總線，一個(gè)IIS總線控制器;

(7) SD主接口版本1.0和多媒體卡協(xié)議版本2.11兼容;

(8) 2個(gè)USB Host接口，一個(gè)USB Device(VER1.1)接口;

(9) 4個(gè)PWM定時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器;

(10)看門(mén)狗定時(shí)器;

(11)130個(gè)通用I/O;

(12)24個(gè)外部中斷;

(13)電源控制模式：標(biāo)準(zhǔn)、慢速、休眠、掉電;

(14)8通道10位ADC和觸摸屏接口;

(15)帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘;

(16)芯片內(nèi)置PLL;

(17)數(shù)碼相機(jī)接口;

(18)設(shè)計(jì)用于手持設(shè)備和通用嵌入式系統(tǒng);

(19)16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)，使用ARM920TCPU核的強(qiáng)大指令集;

(20)ARM帶MMU的先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)支持Windows CE、EPOC32、Linux;

(21)指令緩存(Cache)、數(shù)據(jù)緩存、寫(xiě)緩沖和物理地址TAGRAM，減小了對(duì)主存儲(chǔ)器帶寬和性能的影響;

(22)ARM920TCPU核支持ARM調(diào)試的體系結(jié)構(gòu);

(23)內(nèi)部先進(jìn)的位控制器總線( AMB A2.0 ，AHB/APB)。

4.3存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)器模塊包含：64M的FLASH和2片32M的SDRAM.

存儲(chǔ)器模塊：FLASH存儲(chǔ)器是一種在系統(tǒng)可編程器件，存儲(chǔ)的信息在系統(tǒng)掉電后不會(huì)丟失。它具有低功耗、大容量、擦寫(xiě)速度快、可整片或分區(qū)編程(燒寫(xiě))和擦出等特點(diǎn)，并且可由內(nèi)部潛入的算法完成對(duì)芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)LASH在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電以后需要保存的用戶(hù)數(shù)據(jù)等。主要的生產(chǎn)廠商為Intel、ATMEL、AMD、SAMSUNG等，他們生產(chǎn)的同型器件一般具有相同的電氣特性和封裝形式，可以通用。常用的FALSH為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為3.3V.本系統(tǒng)中使用的是三星K9F1208的一款Nand flash，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為64MB，采用塊頁(yè)式存儲(chǔ)管理。8個(gè)I/O引腳充當(dāng)數(shù)據(jù)、地址、命令的復(fù)用端口。如圖4.3所示為S3C2440和K9F1208的連接電路原理圖。

與FLASH存儲(chǔ)器相比較，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于FLASH存儲(chǔ)器，且具有讀、寫(xiě)屬性。因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用做程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址0X0處讀取啟動(dòng)代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度;同時(shí)，系統(tǒng)及用戶(hù)堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。SDRAM具有單位空間存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。SDRAM的存儲(chǔ)單元可以理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)刷新(充電)。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。S3C2440微處理器片內(nèi)具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM接口相連。目前常用的SDRAM為16位數(shù)據(jù)寬度，工作電壓一般為3.3 V.本系統(tǒng)中使用HY57V561620作為SDRAM，其基本特性為：工作電壓為3.3 V，按4Bank *4M *16 Bit方式組織，單片存儲(chǔ)容量為32 MB，支持自動(dòng)刷新( Auto-Refresh )和自刷新(Self-Refresh )功能，16位數(shù)據(jù)寬度。如圖4.4所示為S3C2440和HY57V561620的連接電路原理圖。

4.4電源模塊

供電單元在本系統(tǒng)中起著很重要的作用，電源模塊結(jié)構(gòu)如圖4.5所示：

本系統(tǒng)采用220V交流電，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生28V的直流電給光耦繼電器供電，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生5V直流電給AZ1117、MAX485供電，經(jīng)過(guò)AZ1117產(chǎn)生3.3 V給存儲(chǔ)器和IO接口供電，經(jīng)過(guò)MIC5219產(chǎn)生1.3V給S3C2440內(nèi)核供電。另外，本系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)中增加了許多電容，可以起到儲(chǔ)能、濾波的作用，當(dāng)外界電壓因干擾而波動(dòng)時(shí)，電容會(huì)釋放或吸收電量，維持電壓穩(wěn)定。

4.5 IO模塊

4.5.1 GPIO接口介紹

GPIO，英文全稱(chēng)為General-Purpose I/O ports，即通用I/O口。在嵌入式系統(tǒng)中常常有數(shù)量眾多，但是結(jié)構(gòu)卻比較簡(jiǎn)單的外部設(shè)備/電路，對(duì)這些設(shè)備/電路有的需要CPU為之提供控制手段，有的則需要被CPU用作輸入信號(hào)。而且，許多這樣的設(shè)備/電路只要求一位控制，即只要有開(kāi)/關(guān)兩種狀態(tài)就夠了，比如燈亮與滅。對(duì)這些設(shè)備/電路的控制，使用傳統(tǒng)的串行口或并行口都不合適。所以在微控制器芯片上一般都會(huì)提供一個(gè)“通用可編程I/O接口”，即GPIO.接口至少有兩個(gè)寄存器，即“通用IO控制寄存器”與“通用IO數(shù)據(jù)寄存器”。數(shù)據(jù)寄存器的各位都直接引到芯片外部，而對(duì)這種寄存器中每一位的作用，即每一位的信號(hào)流通方向，則可以通過(guò)控制寄存器中對(duì)應(yīng)位獨(dú)立的加以設(shè)置。這樣，有無(wú)GPIO接口也就成為微控制器區(qū)別于微處理器的一個(gè)特征。

在實(shí)際的MCU中，GPIO是有多種形式的。比如，有的數(shù)據(jù)寄存器可以按照位尋址，有些卻不能按照位尋址，編程時(shí)就要較大區(qū)別了。比如傳統(tǒng)的8051系列，就區(qū)分成可位尋址和不可位尋址兩種寄存器。另外，為了使用的方便，很多MCU把glue logic等集成到芯片內(nèi)部，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，比如GPIO接口除去兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寄存器必須具備外，還提供上拉寄存器，可以設(shè)置IO的輸出模式是高阻，還是帶上拉的電平輸出，或者不帶上拉的電平輸出。這在電路設(shè)計(jì)中，可以簡(jiǎn)化外圍電路。

S3C2440的GPIO有130pin，通過(guò)下面9個(gè)寄存器控制和設(shè)置。

PortA (GPA)： 25-input/output port

PortB (GPB) ： 11-input/output port

PortC (GPC) ： 16-input/output port

PortD (GPD)： 16-input/output port

PortE (GPE)： 16-input/output port

PortF (GPF)： 8-input/output port

PortG (GPG)： 16-input/output port

PortH (GPH) ： 9-input/output port

PortJ (GPJ)： 13 -input/output port

S3C2440的I/O口，很多是復(fù)合功能的接口，既可以作為普通的I/O口使用，也可以作為特殊外設(shè)接口。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)整體的資源有所規(guī)劃，初始化時(shí)就應(yīng)該把所有資源安排合理。避免應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。

S3C2440的9個(gè)端口，其寄存器是相似的。除了兩個(gè)通用寄存器GPxCON、GPxDAT外，還提供了GPxUP用于確定是否使用內(nèi)部上拉電阻(其中x為A-J，需要注意的是沒(méi)有GPAUP)。應(yīng)用的主要步驟就是：

設(shè)置GPIO控制寄存器GPxCON

設(shè)置GPIO上拉寄存器GPxUP

初始化完成后，就可以通過(guò)對(duì)GPxDAT的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用。其中，PORTA與PORTB-J在功能選擇方面有所不同，GPACON的每一位對(duì)應(yīng)一根引腳(共23pin有效)。當(dāng)某位設(shè)為0，相應(yīng)引腳為輸出引腳，此時(shí)往GPADAT中寫(xiě)0/1，可以讓引腳輸出低電平/高電平;當(dāng)某位設(shè)為1，則相應(yīng)引腳為地址線，或者用于地址控制，此時(shí)GPADAT沒(méi)有用。一般而言，GPACON通常全設(shè)為1，以便訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器件。PORTB-H在寄存器操作方面完全相同。GPxCON中每?jī)晌豢刂埔桓_：00表示輸入，01表示輸出，10表示特殊功能，11保留。GPxDAT用于讀/寫(xiě)引腳：當(dāng)引腳設(shè)為輸入時(shí)，讀此寄存器可知相應(yīng)引腳狀態(tài)是高/低;當(dāng)引腳設(shè)為輸出時(shí)，寫(xiě)此寄存器相應(yīng)位可以使相應(yīng)引腳輸出低電平或高電平。GPxUP：某位設(shè)為1，相應(yīng)引腳無(wú)內(nèi)部上拉;為0，相應(yīng)引腳使用內(nèi)部上拉。關(guān)于特殊功能，那需要結(jié)合特殊外設(shè)來(lái)進(jìn)行設(shè)置。

4.5.2開(kāi)關(guān)量輸入輸出部分電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路是基于SSA12183_33系列的同軸機(jī)械式微波開(kāi)關(guān)。此系列開(kāi)關(guān)具有頻率范圍寬，插損小，駐波比低，隔離度高，可靠性高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并具有極佳的電器性能和機(jī)械性能，可應(yīng)用于航天，航空，雷達(dá)，通信等微波通信系統(tǒng)和地面測(cè)試系統(tǒng)。其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)直流指標(biāo)

工作電壓：DC28V(24-32V )開(kāi)關(guān)速率：≤20ms

工作電流:120mA/DC28V 工作溫度: -35℃～70℃

存儲(chǔ)溫度:-55℃～90℃ 工作壽命: >=106

(2)射頻指標(biāo)：

(3)工作原理：SSA12183_33系列同軸機(jī)械式微波開(kāi)關(guān)具有遙測(cè)功能，其原理如圖4.6所示：

圖中J1,J2,J3為射頻接口,SMA(F)接頭。

+1,+2，-C為控制端，1，2，C為遙測(cè)端

開(kāi)關(guān)切換信號(hào)為+28V/280mA(100ms)脈沖，端子-C接地，當(dāng)脈沖加于+1接口，射頻通道J1-J3連通，遙測(cè)腳C-1連通;當(dāng)脈沖加于+2接口，射頻通道J2-J3連通，遙測(cè)腳C-2連通。

開(kāi)關(guān)量輸入電路如圖4.7所示，主要完成數(shù)字量信號(hào)的輸入，由2片74HC151(8選1的數(shù)據(jù)選擇器)組成，真值表如圖4.8所示，作數(shù)字遙測(cè)信號(hào)的采集，并用10K電阻上拉到3.3 V，形成16個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入。

開(kāi)關(guān)量輸出電路如圖4.9所示，主要完成數(shù)字量信號(hào)的輸出，由2片74LVCH244和5片歐姆龍生產(chǎn)的光耦繼電器G3VM-402J組成，形成16個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出。其中74lvch244不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的緩沖隔離，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)CPU的I/O接口的保護(hù)，它有8個(gè)輸入端，8個(gè)輸出端，使用較為簡(jiǎn)單。光耦繼電器用于低電壓邏輯電路驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載，輸出可承受28V、120mA的直流電流，作為微波開(kāi)關(guān)的控制端輸入。

4.6 RS485模塊

4.6.1串口基本類(lèi)型介紹

(1).RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)

目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取非平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。由于其發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s. RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備)通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3～7kΩ。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。

(2).RS-422與RS-485串行接口標(biāo)準(zhǔn)

2.1).平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸，使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～-6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱(chēng)作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相同的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

2.2). RS-422電氣規(guī)定RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱(chēng)是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。典型的RS-422是四線接口。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共5根線。其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備(Master)，其余為從設(shè)備(Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k +100Ω(終接電阻)。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對(duì)單獨(dú)的雙絞線)實(shí)現(xiàn)。

RS-422的最大傳輸距離為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s.其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s. RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。

3.2).RS-485電氣規(guī)定由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信，而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，即只能有一個(gè)主(Master)設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無(wú)論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個(gè)設(shè)備。

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12k ，而RS-422是4k，RS-485滿(mǎn)足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

4.2).RS-485有關(guān)電氣規(guī)定。

RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s.平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100 kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s

RS-485需要2個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻，終接電阻接在傳輸總線的兩端。

4.6.2串口電路設(shè)計(jì)

S3C2440帶有三個(gè)通道的UART，可以通過(guò)TTL到RS485的電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)RS485接口，實(shí)現(xiàn)RS485通信。如圖4.10所示為S3C2440和MAX485的連接電路原理圖。

MAX485是用于支持RS-485/RS-422通信的低功耗收發(fā)器，內(nèi)含一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器和接收器，支持半雙工收發(fā)。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與S3C2440連接RXD和TXD即可;RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，由GPH1來(lái)控制使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài);當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用S3C2440的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可;A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A引腳的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0.在與S3C2440連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，本電路選用120Ω的電阻。

4.7其他外圍模塊

4.7.1時(shí)鐘模塊

S3C2440需要一個(gè)12M的無(wú)源晶振作為系統(tǒng)外部時(shí)鐘源，和一個(gè)32.768kHz的無(wú)源晶振作為RTC時(shí)鐘源。其中12M的無(wú)源晶振經(jīng)CPU內(nèi)部PLL電路倍頻后作為CPU基總線的工作時(shí)鐘和片內(nèi)功能模塊的工作時(shí)鐘。片內(nèi)的PLL電路兼有頻率放大和信號(hào)提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，以降低因高速開(kāi)關(guān)時(shí)鐘所造成的高頻噪聲，這是基于ARM微處理器系統(tǒng)常采用的一種手段。晶振電路原理圖如圖4.11所示。

4.7.2復(fù)位模塊

MAX811T是一款連接比較簡(jiǎn)單的手動(dòng)復(fù)位芯片，nMR引腳接開(kāi)關(guān)，nRESET引腳接CPU的復(fù)位引腳。復(fù)位電路原理圖如圖4.1 2所示。

4.7.3 JTAG調(diào)試模塊

JTAG是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中十分常用的接口，由于S3C2440處理器內(nèi)部已提供了對(duì)JTAG的支持，因此只需要按照電氣規(guī)范進(jìn)行直接連接即可。該模塊用來(lái)對(duì)首次boot loader的下載，操作簡(jiǎn)便。JTAG電路原理圖如圖4.13所示。

4.7.4網(wǎng)絡(luò)模塊

CS8900A是由美國(guó)CIRRUSLOGIC公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器。其性能優(yōu)良，功耗低，價(jià)格低廉。傳輸速率為10 Mb/s.該接口電路中CS8900A工作在16位模式下，網(wǎng)卡芯片復(fù)位默認(rèn)工作方式為I/O連接，寄存器的默認(rèn)基址是300H.S3C2440的片選線nGCS3作為CS8900A的片選信號(hào)。由74HC14和74HC32兩種門(mén)電路組成復(fù)位電路，為新片提供復(fù)位信號(hào)。RJ45接頭選擇HR911103A，該接頭集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的，可提高穩(wěn)定性和可靠性，且減小體積。該模塊用來(lái)快速更新操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng).

4.7.5鍵盤(pán)模塊

鍵盤(pán)模塊由兩片74HC151組成，并接10K上拉電阻，每個(gè)按鍵集成LED燈，用來(lái)指示開(kāi)關(guān)通路狀態(tài)。其原理圖如圖4.14：

A-B端驅(qū)動(dòng)LED用于表示按鍵狀態(tài)，C端接地，D端為“讀”端，按鍵在自由狀態(tài)下，由于上拉作用，D為高電平，按下按鍵，1-2導(dǎo)通，D端為低電平，由D端高低電平的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵操作的識(shí)別。

4.7.6 RS232轉(zhuǎn)RS485模塊

HTD-RS232/RS485的特點(diǎn)：先進(jìn)的串口竊電技術(shù)，效率高達(dá)90%以上，只用TX、RX、GND三線;獨(dú)立的串口保護(hù)電路，具有抗靜電、抗雷擊、突波抑制功能;可帶電插拔;通信距離在115200bps可達(dá)500米，19.2Kbps可達(dá)1.2公里，在1.2 Kbps時(shí)可達(dá)2公里，在30 0bps可達(dá)3公里;內(nèi)置智能模塊，自動(dòng)識(shí)別RS-485信號(hào)流向，零延時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù);通信波特率0-150Kbps自適應(yīng);內(nèi)置600W/ms抗雷擊保護(hù)器和1500V抗靜電保護(hù)器;RS-485線路保護(hù)，RS-485信號(hào)無(wú)需共地，網(wǎng)絡(luò)成本低;工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，工作溫度范圍：-45℃-85℃